EFICIÊNCIA EM CALDEIRAS NA AGROINDUSTRIACANAVIERA

Eng° Ney Prieto Peres

C.B. Engenharia e montagens LTDA.

- São Paulo

APRESENTAÇÃO

Já se tornou quase um corolário da história o pensamento, segundo o qual é no auge das crises que melhor se caldeia o progresso. Ai está o Brasil de hoje, partindo das angústias da crise do petróleo, para tornar-sePioneiro mundial na utilização, em larga escala, da fórmula de energia renovável, que melhor se apresentou, até agora: o álcool combustível. A par das grandes planos e medidas de largo alcance, pastos em execução para obter as sólidos êxitos já alcançados pelo pró-Álcool, deve-se também salientar a importância das iniciativas, não tão espetaculares talvez, mais igualmente eficiente e positivas—que constituem as basilares das realizações de dimensões macro-econômicas. A publicação que a STAB ora lança o público—iniciando uma série do mesmo tipo—é um documentário didático, que expõe detalhe e angulas do problema energético. E, por isso, com o prazer de quem reconhecer méritos, que abrimos este “SERIE STAB” de publicações técnicas. E o fazermos com o trabalho do Engenheiro NEY PRIETO PERES, profissional renovado, que soube enriquecer seus conhecimentos teóricos com uma experiência largamente intensificada, nas lutas do dia-a-dia sab as chaminés das usinas. Com suas informações tecnológicas, “Eficiência em Caldeiras na Agroindústria canavieira”. Atende a nossa preocupação de, através de publicações objetivas como esta, levarmos a experiência de uns para o proveito ou conhecimento de outro. A “Série STAB”, que agora se inicia, visa a contribuir para que a sociedade brasileira queime etapas para atingir as novos patamares da prosperidade, com que a grandeza deste pais nos permite para seu povo. JOÃO GUILHERME SABINO OMETTO Presidente Nacional da STAB

EFICIÊNCIA EM CALDEIRAS NA AGROINDUSTRIA CANAVIERA Eng. Ney Prieto Peres C.B. Engenharia e montagens LTDA.

- São Paulo

INDICE

1 INTRODUÇÃO............................................................................................................. 01

2 A COMBUSTÃO DO BAGAÇO DE CANA..................................................................032.1 Princípios Fundamentais.......................................................................................................... .032.2 Composição Químico e Físico do Bagaço.............................................................................. 062.3 Poder Calórico e Umidade do Bagaço................................................................................... 062.4 Excesso de Ar- Ar Real- Gás Real........................................................................................... 072.5 Análise dos Gases-Avaliação -Ábaco........................................................................................11

3 DETALHES DE PROJETO RELACIONADOS A EFICIÊNCIA...................................193.1 Característica técnicas das Caldeiras para Bagaço......................................................................203.2 Caldeira de Câmaras Seccionais e Tubos Retos Inclinados.......................................................203.3 Caldeira Tipo Stirling-Tubos Curvados..................................................................................... .213.4 Caldeira vertical Elevadas............................................................................................................233.5 Caldeira Comparativo-um Passa de Gás.................................................................................... 263.6 Quadro Comparativo Característica Caldeira para Bagaço......................................................... 293.7 Paredes D’Água e Revestimento..................................................................................................31 3.8 Recuperadores de Calor................................................................................................................373.8.1 Economizadores.........................................................................................................................373.8.3 Pré-Aquecedores de Ar.............................................................................................................403.8.3 Secadores de Bagaço.................................................................................................................403.8.4 Reinjetores de cinza...................................................................................................................423.9 Características Técnicas das Fornalhas para Bagaço...................................................................443.10 Fornalhas de Grelhas Escalonadas.............................................................................................443.11 Fornalhas Ferradura....................................................................................................................453.12 fornalhas de Grelha Basculante..................................................................................................473.13 Fornalhas de Grelha Rotativa.....................................................................................................523.14 Fornalhas de Queima em Suspensão..........................................................................................523.15 Quadro Comparativo Característica Fornalhas para Bagaço......................................................553.16 Jatos de Ar Fornalhas.................................................................................................................56

4 ASPECTOS OPERACIONAIS E DE MANUTENÇÃO RELACIONADOS A EFICIENCIA.........................................................................................................................634.1 Aspectos Operacionais.................................................................................................................634.2 Aspectos de Manutenção..............................................................................................................66

5 COMBUSTIVEIS SUPLEMENTARES............................................................................72Bibliografia.........................................................................................................................................73

1 INTRODUÇÃO

Além de principal fonte de calor para a produção do açúcar e do álcool, o bagaço de cana assume em nossos dias uma posição de maior importância pelo valor energético que pode representar como substutivo aos combustíveis fósseis. Entra as muitas razões que justificam a otimização, na utilização do bagaço como c Combustível, destacamos as seguintes:

1° - redução do consumo de combustível adicionais, como lenha e óleo, eventualmente empregados para atender picos ou carência de vapor, na produção e na refinação do açúcar, bem como na destilação do álcool concomitantemente;

2°- armazenar maiores sobras, de modo a possibilitar, uma perspectiva nova, a destilação do álcool em períodos mais extensos, com manores dispêndios de combustível adicionais, como também convertido em matéria-prima transformável no próprio álcool;

3°aumentar as sobra para a sua comercialização, como matéria-prima para industrialização, como alternativa ao óleo combustível e como fonte para gerar energia elétrica no âmbito regional;

Nesses últimos vinte anos um grande avanço é constatado internacionalmente nos projeto dos geradores de vapor que utilizam bagaço. Novos sistemas de queima foram introduzidos, assim como alguns outros recuperadores de calor foram adotados, e no contexto, conquista de maior flexibilidade, aumento na capacidade, mais alta eficiência e menores interrupções durante a operação são os fatores deseféveis que as necessidades atuais impõem atingir. No Brasil, de alguma forma, esse avanço também se vem observando embora mais lentamente, natural conseqüência das poucas exigências do próprio mercado, que sempre aceitou os projetos apresentados pelos mais tradicional fabricantes nacionais; ou por antes nunca ter sido premido nas dificuldades e necessidade de hoje.

Na década de 30 á 40 as caldeira fogotubulares horizontais eram substituídas nas Usinas do Brasil por caldeiras aquotubulares de câmaras seccionais e tubos retos inclinados, importadas principalmente da Inglaterra, adquiridas tradicionalmente da Babcock e Wilcox Segue-se a fase das caldeiras aquotubulares de tubos curvos, tipo Stirling, todas com fornalha Ferradura, Celta ou Ward. Os mais conhecidos fabricantes nacionais eram Cyclope, Dedini e Frige. Em 1957 era instalada a primeira caldeira construída em nosso pais, de grelha basculante com espargedores para bagaço, na Usina Santa Tereza, no Estado de Pernambuco, fabricada pela Companhia Brasileira de caldeira (antiga Frige) sob licença da Combustion Engineering Inc.- USA.Sistema semelhante começa a ser desenvolvimento pela DEDINI e pela ZANINI nos anos de 67 em diante. Os primeiros distribuidores pneumáticos de bagaço para grelha basculantes, parecem nas caldeiras tipo BE fabricadas pela DEDINI, em 1977.

Na Usina São Martinho, em Pradópolis, Estado de São Paulo, surge em 1980 o mais recente e moderno projeto de caldeira para bagaço, desenvolvido pela CE americana, e fabricação pela CBC. A queima do bagaço em suspensão, por injeção pneumática produtivas de 150 t/h de vapor. Na Usina Iracema, Iracemápolis, Estado de São Paulo, igualmente avançado. Um novo projeto desenvolvido pela DEDINI é introduzido na caldeira tipo AE. De 110 t/h com sistema de queima em suspensão, por alimentação pneumática frontal do bagaço e turbulência tangencial de ar na fornalha.

Em fase de montagem na Usina da Barra, a partir desse ano de 82, em Barra Bonita, são Paulo, três unidade tipo AT-150, também projetadas na M. Dedini S.A Metalúrgica, com eficiência ao poder calórico inferior de 86%, produção de 150 t/h de vapor, definitivamente posiciona a tecnologia brasileira entre as mais adiantadas do Exterior nesse tipo de equipamento.

Com as esperançosas perspectivas do álcool brasileiro e todo um hercúleo trabalho que vem sendo dinamizado pelos Ministério de Minas e Energia e Ministério da Industria e Comércio, vislumbramos Excelentes condições para a Agroindústria da Canavieira, retomando sua no cenário industrial brasileiro, contribuindo definitivamente para superamos a crise energética, e valorizando técnicas, a racionalização e o espírito de trabalho, de tantos homens que têm se empenhado nessa área, de importante significado histórico na sócio-economia de nossa pátria.

O presente trabalho reúne, despretenciosamente uma coletânea de informações que temos tentado juntar, nesses vente e cinco anos de experiência, no campo de caldeira e particularmente na queima do bagaço de cana. São Paulo, agosto de 1982. Ney Prieto Pares Corte transversal numa caldeira fogotubular com fornalha de Grelhas Escalonadas para bagaço, tipo utilização nos anos de 30.

2 A COMBUSTÃO DO BAGAÇO DE CANA

2.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS: Alguns princípios fundamentais devem ser nescessariamente observados na queima do bagaço. Vejamos a importância deles.Basicamente a queima do bagaço de cana pode de realizada por dois meios a)- saber:b)- Deposiçãoc)- Suspensão.

2.1.1 QUEIMA POR DEPOSIÇÃO: E o caso mais comum, em que o bagaço jogado ou depositado em fornalha, tipo Ferradura ou Ward, queima ali amontoado numa forma cônica ou numa camada regular depositada sobre um grelhado tipo basculante ou rotativo.

2.1.2 QUEIMA POR SUSPENSÃO: Através da alimentação mecanizada e da distribuição mecânica ou pneumática do bagaço, pode-se obter a queima por suspensão parcial ou total do mesmo, numa fornalha de grelha rotativa ou mesmo num sistema pneumático tangencial de queima em suspensão.

QUEIMA POR DEPOSIÇÃO QUEIMA POR SUSPENSÃO

2.1.3 SEQUÊNCIA DA QUEIMA: Dentro da zona de combustão o bagaço deve: (1°) ser gaseificado ou destilado (secagem e volatilização); (2°) misturado com o ar; (3°) entrar em ignição; (4°) completar a combustão do oxigênio com carbono; (5°) depois o resíduo da queima (cinza);

2.1.4 TURBULÊNCIA: Importância condição na queima do bagaço é a turbulência, que se pode realização na alimentação do mesmo e na massa de gás recém formada sobre a camada depositada ou sobre o cone amontoado. Entre os principais resultados enumeramos:

(1°)- proporciona maior permanência do bagaço em suspensão para a queima;(2°)- melhora a mistura do ar com o bagaço gaseificado; (3°)- dispersa as partículas não queima expondo-as ao calor para gaseificarem-se completando-se a combustão. Essa turbulência se realização de jatos de ar pressurizado, como “ar secundário”, que pode representar de 10% á 12% do ar total necessário para a queima do bagaço, em fornalha de grelhas.Basculante. Admite-se que cerca de 40% á 60% do calor liberado, pelo bagaço na combustão abtem-se da zona acima do leito ou do monte cônico.

2.1.5 TEMPERATURA-TEMPO-UTRBULÊNCIA (T-T-T): Além do tempo para a queima e a necessária turbulência, completa esse trio, a temperatura da fornalha que praticamente condiciona a ignição dos gases em mistura, destilados das partículas sólidas do bagaço.A temperatura de ignição é aquela em que o calor é gerador pela rápida reação do carbono com o oxigênio – é a temperatura em que a mistura se inflama e fornece calor. Com o bagaço seco esta temperatura está entre 300°C, com bagaço á 50% de umidade está entre 500°C e 600°C.O calor de irradiação emitido pelas paredes das fornalhas, na queima do bagaço por deposição, contribui com sua valiosa parcela no processo da combustão, o que deve ser considerado dentre os limites construtivos.Para a estabilidade dessa temperatura de ignição e, portanto mais rápida queima assume conduzido para a fornalha.

2.1.6 UNIDADE DO BAGAÇO: Cerca de 48% á 50% do bagaço alimentação numa fornalha é constituído de água. Na seqüência da queima essa enorme quantidade de água vai evaporar-se inicialmente roubando grande soma de calor e diminuindo a temperatura na câmara de combustão. A maior parcela de perda no calor sensível dos gases que saem pela chaminé é motivada pela umidade do bagaço. E um fator prejudicar aos desejados resultados que se procura obter na combustão, provocando incompleta aproveitamento físico-químico do bagaço, como fonte de energia calorífica. A presença de perturbadores quantidade de fuligem em partículas de tamanhos variáveis, de 0,5 mm á 3,00 mm, que saem pelos gases das chaminés nas Usinas de Açúcar são resultantes principal da água contida no bagaço e da tiragem elevada, que não deve exceder na fornalha de –5mm coluna d’ Água.

2.1.7 RESUMO: Em resumo, o que se deve objetivar para obter os melhores resultados na queima do bagaço de cana, é atender, por meios práticos, ezequiveis mecanicamente, a seqüência iniciada a alimentação do combustível e do comburente e terminada na remoção das cinzas. Dentro da câmara de combustão as cinco frases citadas estão sempre presentes, e devem ser obedecidas nos seus requisitos de modo a cumprirem-se o mais perfeitamente possível.

Os principais fatores, portanto que contribuem para a combustão eficiente do bagaço de cana em caldeira são:

1- alimentação continua e uniforme do bagaço e do ar de combustão, estabelecendo uma intima mistura de ambos, preferivelmente por suspensão, mantidas as proporções dos mesmo, variáveis com as variações de carga; 2- Injeção do ar primário com pressões entre + 30 mm e + 40 mm Col. Água esse último em alturas de (150) á (450) mm acima do leito ou cone de bagaço.

3- observação visual da chama do fogo mantendo-a com aspecto brilhante de cor amarelo-canário, e verificando a temperatura na fornalha que deve estar entre 800 e 1100°C.

4- observação da tiragem dos gases na caldeira mantida uniforme pela regulagem do registro do exaustor não variando na fornalha dos limites entre –3 mm e –5mm Col. Água;

5- Diminuição da umidade do bagaço para menor de 50%;

6- Manutenção dos fornos limpos de cinza e com tubeiros e injetores de ar desobstruídos, pela limpeza diária. Em períodos de pelo menos cada 8(oito) horas;

7- Manutenção dos tubos limpos externamente de fuligem pelo acionamento dos sopradores em intervalos de pelo menos cada 3 (oito) horas;8- Utilização do ar pré-aquecido a ser admitido na fornalha dentro de temperaturas iguais ou acima de 180°C;

9- Verificação dos volumes das câmaras de combustão de modo a não ultrapassarem a carga térmica de 200.00kcal/m3/h, e o piso do forno estando a uma distancia acima de 5,0 m dos tubos do feixe de convecção.

2.2 COMPOSIÇÃO QUIMECA E FISICA DO BAGAÇO: CAMPOSIÇÃO QUIMICA: A análise alementar do bagaço na base seca vario com o tipo da cana. Para termos uma idéia dessas variações relacionadas as composições a seguir indicadas para diversos paises:

OBS: Análise elemento na base seca.

Composição física:

A composição física do bagaço varia muito pouco. Para valores médios no nossos pais adotamos:

Umidade de 48% á 50% Fibra (celulose): de 28,8% á 30% Medula (pith) de 12,5% á 17,5%

Matérias Solúveis (açúcar, impurezas): de 2% á 4%

TABELA 1- Análises típicas do bagaço:

Pais Composição Química (%) Poder Calorif.

CO2% MAX. C H2 O2 N2 Cinza Sup.

Kcal/KgInf. Kcal/Kg

Brasil 47,00 6,00 44,00 _ 3,00 4.280 4.080 20,4

Cuba 43,15 6,00 47,95 _ 2,90 4.432 4.107 21,0

Havat 46,20 6,40 45,90 _ 1,50 4.529 4.184 20,3

Java 46,03 6,56 45,55 0,18 1,68 4.818 4.464 20,1

México 47,30 6,08 35,30 _ 1,32 5.072 4.274 19,4

Pero 49,00 5,89 43,36 _ 1,75 4.650 4.332 20,5

Porto Rico 44,21 6,31 47,72 0,41 1,35 4.654 4.315 20,5

Ou ainda, o bagaço é fisicamente constituído de: Carbono Fino: 7%Matérias Voláteis: 41,5%Umidade: 50% Cinza: 1,5% Como o Poder Calorífico da Fibra é aproximadamente igual ao da medula (93% da Fibra) para fins de combustão a soma da Fibra (celulose) com a medula. Desse modo o teor de Fibra (%) no bagaço é de: 41% á 47,5%.Os índices de Fibra na cana estão entre 11% e 16% e de bagaço cana de 25% á 29%.

2.3 PODER CALORIFICO E UMIDADE DO BAGAÇO: O poder calorífico Inferior é obtido pela composição química, aplicando-se na expressão abaixo os valores de C, H2, O2 é H2O.

(A) PCI= 8.100x C+ 28.700 (H2 – 02 ) – 600x H2O ( em Kcal/Kg) 8

O Poder Calorífico Superior, na base seco e considerado sem as perdas de calor pela umidade contida, o que pode ser obtido por meio de bomba calorimétrica em laboratório. O PCS do bagaço na base seca é aproximadamente igual ao valor a seguir indicado:

PCS = 4.500 Kcal/Kg

Fazendo variar a umidade do bagaço o PCI passa a decrescer como segue:

TABELA 2- Poder calorífico Inferior do bagaço: H2O% O 10 20 25 30 35 40 46 48 50 52

C % 47 42,3 37,6 35,2 32,9 30,5 28,2 25,4 24,4 23,5 22,5

H2 % 6 5,4 4,8 4,5 4,2 3,9 3,6 3,2 3,1 3,0 2,9

O2 44 39,6 35,2 33 30,8 28,6 26,4 23,7 22,9 22 21,1

P.C.inf.Kcal/Kg

4220 3730 3250 3000 2760 2520 2270 1990 1890 1790 1690

%

Descresc.PCI

O 12 23 29 35 40,3 46,2 53 55,2 57,6 60

2.4 Excesso de Ar-Ar Real-Gás Real:

Relacionemos inicialmente as fórmulas que utilizamos para desenvolver os cálculos relativos á combustão do bagaço, extraídos de E. Hugot (Manual da Engenharia Açucareira, Ed. Mestre Jou, vol. 11).

a) PODER CALORIFICO INFERIOR: PCI = 4.850 x W – 1200 x S (Kcal/Kg); onde. W = umidade do bagaço. % S = sacarose do bagaço, %.b) AR REAL NECESSÁRIO: Peso por Kg Bagaço: Pa = 5.76 x (1-W) x e (Kg/kg); onde. E = excesso de ar, % Volume por Kg bagaço: Va = 4,45 (1-W). e (m 3n/Kg) c) GÁS REAL NECESSÁRIO: Peso por Kg Bagaço: Pg = 5,76 (1-W. e+ ( Kg/Kg) Volume por Kg Bagaço: Vg = 4,45 (1-W). e + o,572W+0,672 (m3N/Kg)

d) CO2 NOS GASES: CO2 19,8 (%) (CO2 Max. Bagaço = 19,8 %). e e) O2 NOS GASES: O2 = 21- CO2 (%)

f) excesso de Ar: e = 0,195 + 0,0126, (%) CO2

g) Volume de Ar ou Gás á t°C e b mm Hg:

V = vo. (273+ t). 760 (m3 á t°C e b mm Hg): 273 b Onde: b = pressão barométrica em mm Hg a altitude acima do nível do mar Vo = volume em m3 N/kg á 760 mm Hg) h) Quantidade de calor transmitido pelo bagaço Queimado: Q = ( PCI – q) a.b.c. ( Kcal/Kg) Onde:

- Perda de calor pelo gás: q = [(1-W) (1,4. e-0,13)+0,5].t (Kcal/Kg)(t = temp. gases, °C)

- Coef. De perdas por incombustos: a = (0,94- fornalha ferradura) (0,975- grelha basculante)- Coef. De perdas por radiação: b = (0,95-parede simples) (0,97-parede isolada)- Coef, de perdas por combustão deficiência:

C = (0,80-fornalha ferradura) (0,95-grelha basculante)

i) Rendimento Total: R = Q, (%). PCIJ) vapor Produzido por Bagaço Queima: Qv = PCI X R, (Kg/kg) (iv –ta) Onde – iv = entalpia do vapor, Kcal/Kg Ta = temperatura d’água de alimentação.

Adotaremos também algumas fórmulas extraídas de f. Nubber (Cálculo thermique des Chaudiéres foyers, Ed. Dunod, como segue: k) Ar Teórico: va = (1,01 x PCI + 0,5) (m3 N/Kg ) 1000l) Gás Teórico: Vg = (0,89 x PCI) + 1,65 ( m3 N/Kg)

m) Gás Real Necessário: Vg = Vg + (Va – Va) (m3 N/Kg) Procuremos relacionar, para estabelecermos algumas conclusões, as variações existentes entre: Excesso de Ar (e)

Umidade do Bagaço (W) Poder Calorífico Inferior (PCI)

Vapor Produzido por Bagaço Queimado (qv) e Economia de Bagaço Queimado.

2.4.1 EXCESSO DE AR: Há um estreito relacionamento entre os seguintes fatores:

a) As condições físicas do Bagaço (umidade, granulométrica)b) O sistema de alimentação do bagaçoc) A eficiência da combustão

FORNALHA FERRADURA: Com o bagaço á 50% de umidade, alimentado sem dosador e caindo. Por gravidade na fornalha, dificilmente se consegue um excesso de ar inferior á 60%. Isto significa maior perdas na combustão e mais baixo eficiência. Observa-se que, ao aumentar a umidade do bagaço para 52%, muda completamente as Condições de queima em Fornalha Ferradura e o excesso de ar sobem para 80% ou mais. Cai a velocidade de queima e a combustão só é conseguida com grandes excesso de ar, isto é diminuí a eficiência da queima, o aproveitamento decresce. FORNALHA ESPARGEDORAS: Com a mesma umidade de 50% no bagaço, alimentação-o com um dosador mecânico, distribuindo-o num grelhado basculante ou rolante, espargindo-o mecanicamente ou por ar pressurizado, obtem-se um excesso de ar de 30%, o que melhora substancialmente a eficiência na combustão. UMIDADE E EXCESSO DE AR: Diminuindo a umidade do bagaço, para valores baixos de 50%, mesmo em Fornalha Ferradura, sem distribuição do mesmo, a queima se efetua mais rapidamente e uma parte entre em combustão quando em suspensão. Obviamente o bagaço torna-se mais leve, há uma melhor mistura com o ar e, portanto menor e o excesso de ar. Com bagaço á 40% ou 35% de umidade, e excesso de ar chega também á 30%. A queima do bagaço pré-secado (35% á 40% umidade) em Fornalha Espargedores se realiza ainda em melhores condições, elevando-se a temperatura da chama, aumentando a velocidade de queima aproveitando-se mais o calor, ou seja, mais alta eficiência. Nessas condições a queima se faz quase que instantaneamente e, portanto o excesso de ar diminui para valor abaixo de 30%.

ESMAGAMENTE DO BAGAÇO: Quanto melhores forem as condições de preparo da cana e da moagem, o bagaço sai melhor triturado, com menor teor de sacarose e com baixo umidade, o que interfere grandemente nas condições de queima. O bagaço melhor esmagado é assim mais fragmentado, propiciando benefícios na sua combustão, pela condição de mais rapidamente gaseificar-se e combinar-se com o ar.

AREIA NO BAGAÇO-CINZA-ESCÓRIA:

Com a crescente mecanização da lavoura e a deficiência nos sistema existentes de lavagem de cana, mantidos em alguns casos sem os necessários melhoramentos, graves problema acarreta a presença significativa de areia no bagaço. Além de mudar o calor desenvolvido na combustão, age obstruindo os tubeiros injetores de ar (Fornalha Ferradura) ou os orifícios do grelhado por onde é insufiado o ar primário (em Fornalhas Espargedores). Uma ocorrência ainda mais grave é o desgaste por abrasão das palhetas do rotor dos exaustores. Que quase sempre precisamos ser substituídos no cada entre-safra. As zonas de baixa velocidade dos gases, no interior das caldeiras, não contando com sistema de reinjeção de cinzas para as fornalhas, ou com captadores de matéria particulado (separadores de múltiplos-ciclones ou outros sistemas) antes do exaustor, vão acumular grandes volume de areia que é arrastada pela corrente dos gases e levada para fora por sucção.Observa-se nos dias próximo ao final da semana, que a combustão não se realidade satisfatoriamente, a caldeira aparenta não produzir suficientemente, a caldeira aparência não produzir suficientemente, sintomas esses decorrente do acúmulo de areia, cinza e escoria obstruindo as passagens de ar para a fornalha. Os grelhados rotativos apresentam vantagens sobre os grelhados fixos ou basculantes exatamente pela limpeza continua da cinza e da escória depositados, resultando um aumento de eficiência de 1,5% á 3 sobre aquele fixos.A cinza do bagaço é constituída basicamente de sílica, proveniente da areia da cana, e potassa (carbono de potássio impuro), que a funde a aproximadamente 950°C. Em Fornalha Ferradura a sílica em mistura com o carbonato de potássio vitrifica as temperaturas elevadas formando uma camada resistente sobre os tijolos refratários e obstruindo as passagens de ar pelo tubeiros. Com o ar soprado pelos tubeiros essas crostas duras, ficam amorfas, no estado desagregado e assim facilmente removidas na limpeza como escória.É necessário desagregar e remover continua ou periodicamente essa escória pelos meios manuais, mecânicos ou pneumáticos, o que representa um incessante trabalho durante a operação.

2.4.2 VARIAÇÕES DOS FATORES INTERFERENTES NO EXCESSO DE AR: Pelo quadro abaixo indicamos aproximadamente as variações nos fatores citados, dentro do inter-relacionamento existente nos mesmo.

TABELA 3 VARIÇÕES 3 EXCESSO DE AR:

FATORES UMIDADE DO BAGAÇO 50% 40% 30%

PCI do bagaço Kcal/Kg 1790 2270 2760

Excesso de Ar:-Fornalha Ferradura-Grelha Basculante

60-80 30-40

30-50 25-30

20-30 15-25

Rendimento ao PCI %-Fornalha Ferradura-Grelha Basculante

68-67 81-79

71-67 83-81

74-71 85-83

Kg Vapor/Kg Bagaço:-Fornalha Ferradura-Grelha Basculante

2,00 2,50

2,58 3,23

3,18 3,98

2.5 ANÁLISE DOS GASES -AVALIAÇÃO-ABACO:

Para um controle operação das condições de eficiência da combustão do bagaço além da simples observação do aspecto da chama e da sua coloração, utilizam-se aparelhos para análise dos gases e pirômetro para verificar as temperaturas dos mesmos na saída caldeira e do pré-aquecedor de ar.Essas medições quando realizadas em curtos intervalos de tempo, diariamente, permite por comparação constatar a influência da limpeza das fornalhas e dos tubos, no rendimento da caldeira, alem de possibilitar a macacão dos pontos para regulagem ótima da alimentação do bagaço, do A indicação da tiragem nos diferente locais da caldeira é simplesmente obtida por vacuômetros do tipo de vidro em forma de U. Essa indicações são muito valiosas para encontrar-se nas caldeiras os parâmetros para sua melhor eficiência. 2.5.1 ANALISADORES DE GASES: Os aparelhos mais comuns são o orsat e o Fyrite, ilustrados pelas figuras a seguir. Determina-se o teor em % de CO2 e de O2 nos gases que saem da Caldeira e por essas indicação ficamos conhecendo o excesso de ar na combustão (veja ábaco).

2.5.2 PIRÔMETROS: Constam de um termo-par, que se introduz no local aonde se deseja conhecer a temperatura a temperatura do gás ou do ar, e de um indicador de milivolts ou com escala já convertida em °C (graus centígrados). 2.5.3 VACUÔMETROS: Do tipo de vidro em U. são ligados das pontas do vidro por uma mangueira plástica (ou de borracha) ao ponto que se deseja medir. A leitura indicativa de tiragem em mm de Coluna é representada pela diferença entre os níveis das duas colunas d’Água é representada pela diferença entre os níveis das duas colunas.

Utilizam-se em painéis os Indicadores de Tiragem ligados aos principais pontos abaixo mencionados:

- Pressão do Ar antes do Pré-Aquecedor de Ar,- Pressão do Ar depois do Pré-Aquecedor de Ar,- Depressão dos Gases na Fornalha,- Depressão dos Gases antes do Pré-Aquecedor de Ar,- Depressão dos Gases depois do Pré-Aquecedor de Ar.

2.5.4 BOLETIM DIÁRIO CALDEIRAS: Um Boletim Diário deve ser usado constando os dados necessários a uma avaliação dos fatores interferente já citados. Apresentamos adiante um modelo de Boletim Diário de Caldeira, que engloba os principais dados a serem controlados na operação de Caldeira com bagaço de cana.

2.5.5 ABACO PARA AVALIAÇÃO; Construímos o ABACO PARA AVALIAÇÃO DE EFICIENCIA NA COMBUSTÃO DO BAGAÇO DA CANA, o qual permite, partindo da sacarose e da umidade no bagaço, determinar o seu PCI.Medindo-se o CO2 e ou O2 tem-se o excesso de ar e partindo-se da temperatura dos gases, chega-se rendimento da cadeira, dependendo do seu tipo, como segue:

BOLETIM DIÁRIO OPERAÇÃO CALDEIRAS

A - Fornalha Ferradura, Paredes d’Água, Alvenaria sem isolamento, Sem Pré-Aquecedor de Ar, Água 85°C.B - Fornalha Ferradura, Paredes d’Água, Alvenaria sem isolamento,

Com Pré-Aquecedor de Ar, Água 85°C. C - Grelha Basculante e Espargedor Paredes d’ Água Membrana, Isolamento Externo,

Sem pré-Aquecedor de Ar, Água 90°C. D - Grelha Basculante e Espargedor Paredes d’ Água Membrana, Isolamento Externo,

Com pré-Aquecedor de Ar, Água 90°C.

Vejamos como determinar os diferentes dados a numeração indicada no Ábaco, de 1 a 20.

A)- DETERMINAÇÃO DO PCI DO BAGAÇO: Entrando-se com1 – sacarose no bagaço, % e. 2 – umidade no bagaço, em %. Encontramos:3 – PCI do bagaço em Kcal/Kg.

B) – DETERMINAÇÃO DO EXCESSO DE AR: Entrado-se com: 6 – CO2 % dos gases na saída da caldeira, e/ou 10 – O2 dos gases na saida da caldeira, encontramos no cruzamento com as curva de CO2 e/ou O2 (pontos 7 e 9): 8 – Excesso de Ar

C)- DETERMINAÇÃO DO VOLUME DE AR NECESSÁRIO, EM M3 N/KG: Entrado-se com: 3 - PCI do bagaço 4 - Curva do Excesso de Ar; encontramos. 5 - Volume de Ar Necessário, em m3 N/Kg bagaço

D)- DETERMINAÇÃO DO VOLUME DE GÁS REAL, EM M3 N/KG: Entrando com: 8 – Excesso de Ar 11 – Curva do PCI do bagaço, encontramos. 12 – Volume de Gás real, em m3 N/Kg. E)- DETERMINAÇÃO DO VOLUME DE AR OU GÁS PARA O LOCAL DESEJADO: Conhecendo: Ou 5 – Vol. Ar Necessário, m3 N/Kg ( 0°C, 760 mm Hg) 12 – Vol. Gás Real, m3 N/Kg ( 0°C, 760 mm Hg) Determina-se para t°C e b mm Hg, aplicando:

V = Vo (273+t) x 760 (m3/Kg)273 b

OBS: O VALOR DE B MM HG, OBTEM-SE COMO ABAIXO:

ALTITUDE (M) 0 100 200 300 400 500

B MM HG 760

751 742 733 724 716

ALTITUDE (M) 600 700 800 900 1000 1500

B MM HG 708 700 692 684 676 636

F)- DETERMINAÇÃO DAS PERDAS NO GÁS: Conhecendo: Ta = temperatura do ambiente, °C Vg = volume do gás, m3 N/Kg Tg = temperatura do gás, °C PCI = do bagaço Kcal/Kg Ce = Calor Especifico do Gás = 0,336 Kcal/m3 N (+200°C) 0,340 Kcal/m3 N (+300°C)

P = perdas no gás, % é dada por. P = (tg-ta) x Vg x Ce x 100 PCI

G)- DETERMINAÇÃO DO AUMENTO DE RENDIMENTO COM PRÉ-AQUECEDOR AR: Conhecendo: P = perdas no gás, %. Tf = temperatura gás após Pré-Aquec. Ar, °C R = aumento de rendimento, %. R = p(tf – ta) Tg - ta H)- DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO, %: Entramos com: 13 – temp. Gases após Pré-Aquec. Ar, °C 14 – Curva do Excesso de Ar, Encontramos 15 – Curva de Rendimento do tipo de Caldeira, 16 – Rendimento, %, ao (PCI). OBS: Entrando com 17, encontramos 18, 19 e 20 do mesmo modo acima. I)- DIFERENÇAS DE RENDIMENTO:

- Para diferentes tipos de caldeira a, b, c, d. (Procede-se como em h).

J)- VAPOR PRODUZIDO POR BAGAÇO QUEIMADO: Conhecendo: Iv = entalpia do vapor, Kcal/Kg. Tag = temp. da água, °C PCI = do bagaço, Kcal/Kg. R = rendimento % (ao PCI) Qv = kg vapor/Kg bagaço é obtido por Qv = PCI X R (Kg/Kg) (iv-tag) 2.5.6 ECONOMIA DE BAGAÇO QUEIMADO: Pela determinação dos calores de qv, Kg vapor/Kg bagaço, aplicado á produção de vapor estimada da caldeira, pode-se avaliar as economias de bagaço queimado quando se introduz bagaço menos úmido ou se instalam grelhados basculante e pré-aquecedores de ar, ou ainda quando se mantêm a caldeiras melhores condições de regulagem operacional.

Sendo:P = Produção de vapor produzido em Kg/h.Q = quantidade de bagaço necessário, em Kg/h.

Temos:Q = P , K/h qv A Economia, E de bagaço, para dois valores Q1 e O2, será, portanto:

E = Q1 – Q2, Kg bagaço/h (Q1 > Q2).

Em porcentagem: E = (1 – Q2 ) x 100 (%) Q1

EXENPLO: P = 60.000 Kg/h Q2 = 24.000 Kg/h Q2 = 30.3000 kg/h

E = (1 – 24.000) X 100 = 20, 8%. 30.300

2.5.7 CUSTOS COMPARATIVOS DO BAGAÇO COMO COMBUSTIVEL: Considerando os combustíveis abaixo indicados com os seus respectivos PCI, e custos aproximados, por tonelada temos:

Óleo combustível BPF................................... 9.500 Kcal/Kg – Cr $ 40. 000,00/ton.Lenha (30% umid.)......................................... 2.800 Kcal/kg – Cr $ 2.500,00/Ton.Bagaço (50% umid.)………………………... 1.760 Kcal/Kg – Cr $ 600,00/ton.

A grosso modo podemos dizer que, em calor aproveitado para geração de vapor:1 – ton. Bagaço 50% Umid. = 0,17 Ton. Óleo BPF = 0,63 ton. Lenha (30%)1 – ton. Bagaço 405 Umid. = 0,23 Ton. Óleo BPF = 0,80 ton. Lenha (30%)1 – ton. Bagaço 30% Umid. = 0,28 Ton. Óleo BPF = 0,98 Ton. Lenha (30%)Tornando-se o custo do bagaço comparado ao do Óleo BPF, obtemos: 1 – ton. Bagaço 50% Umid ..................................Cr$ 6.800,00 (1760 Kcal/hg) 1 – ton. Bagaço 40% Umid...................................Cr$ 9.200,00 (2270 Kcal/Kg) 1 – ton. Bagaço 305 Umid...................................Cr$ 11.200,00 (2760 Kcal/Kg)

Graficamente representa abaixo comparativamente o valor dos combustíveis, nos permitindo estimar os preços relativos, quando estudamos a sua substituição para a produção de uma determinada quantidade de calor:

CUSTO DO COMBUSTIVEL EM X CRS 100,00/TON.

3. DETALHES DE PROJETO RELACIONADOS A EFIENCIA:

No que diz respeito á evolução dos geradores de vapor destinados a queima de combustíveis sólidos, em particular, á queima do bagaço de cana, encontramos hoje um grande avanço decorrente das experiências acumuladas pelas mais destacadas empresas especializadas, de conceito nacional e internacional. A linha condutora dessa constante evolução é toda calcada nos seguintes propósitos básicos: (1°) obtenção de melhor eficiência; (2°) aumento de capacidade produtiva, maiores pressões e mais altas temperaturas do vapor; (3°) maiores índices de automatização com melhor estabilidade operacional. Importantes detalhes de projeto foram desenvolvidos para atender os objetivos citados, tanto com respeito á construção da caldeira propriamente dita como relativamente aos equipamentos de combustão.Vermos adiante os principais detalhes de projeto em caldeira e em fornalha, na queima de bagaço de cana, relacionando-os com a eficiência.

3.1 CARACTERISTICAS TÉCNICAS DAS CALDEIRAS PARA BAGAÇO: Tentamos enquadrar, tanto quanto possível, os diversos de caldeira destinadas á queima do bagaço de cana, dentro de uma classificação geral, condizente com a realidade encontrada em nosso pais, mostrando a tendência natural que aparentemente se esboça seguir. Para melhor visão dessa evolução natural, dividimos os principais tipos de caldeira existentes no território nacional como segue:

A – caldeira de câmaras seccionais e tubos retos inclinadosB - caldeira tipo stirling – tubos curvadosC – caldeira verticais elevadas D – caldeira radiantes – um passe de Gás

Vejamos adiante as principais características de cada um desses tipos.

3.2 CALDEIRA DE CÂMARA SECCIONAIS E TUBOS RETOS INCLINADOS: 3.2.1 Características Construtivas: a)- Partes de Pressão: 1 – Balão Superior (Posição transversal) 1 – ou 2 Balões Superiores (Posição longitudinal) – alternativa tubos retos 4” Câmara ou coletores Sinuosos Frontais e Trazeiros com 10 Tubos 1 Coletor de Lama (Transversal) b)- Revestimento: Parede Refratária de 220 mm (9”) Largura, combinada com Parede Tijolo Comum de 220 mm Largura. 3.2.2 FORNALHAS UTILIZADAS: a)- Tipo Ferradura b)- Grelha Basculante com Espargedor - Alternativa

3.2.3 RECUPERADORES DE CALOR DOS GÁSES: a)- Pré-Aquecedor tubular de Ar b)- Economizador

3.2.4 DADOS DE DESEMPENHO: Rendimento (ao PCI): Fornalha Ferradura (Água 85°C)............................................................. 52%. Grelha Basculante c/ Esparg. (Água 85°C).............................................. 60% Temperatura Gases: 330° C Temperatura Ar: 25°C CO2: 13,5% (Grelha Basc.) – Excesso Ar................................................. 46% TAXA VAPOR /M2 Com forno ferradura (Água 85°C) ............................................................ 25 Kg/m3 Com Grelha Basculante c/ Esparg. (Água 85°C) ..................................... 27 Kg/m2 OBS: sem Pré-aquecedor de Ar.

3.2.5 Limitações: Capacidade produtiva máxima: 25,000 Kg/h (Fonr. Ferradura Água 85°C) Pressão Máxima de trabalho Permitida: 18 Kg/cm2 Temperatura Vapor máxima: 300°C

3.2.6 SISTEMA OPERACIONAL: Regulagem Alimentação de bagaço: Manual Regulagem Ar de Combustão: Manual Regulagem da Tiragem Induzida: Manual Regulagem do Nível d’Água: Manual ou Automatizada Limpeza de Cinzas: Manual ou Semi Mecanizada Captação de fuligem: Manual (internamente).

3.3 CALDEIRA TIPO STIRLING – TUBOS CURVADOS:3.3.1- Características Construtivas:

a)- Partes de Pressão: 2 ou 3 Balões Superiores (Posição Transversal) 1 Balão Inferior (Posição Transversal) Tubos Curvados 3 OBS: Sustentação pelos apoios nos Balões Superiores. b)- Revestimento: Parede Refratária de 220 mm (9”) Largura, combinado com Parede tijolo comum de 220 mm Largura.

3.3.2 FORNALHA UTILIZADA: a)- tipo Ferradura b)- Grelha Basculante com Espargedor – Alternativa

3.3.3 RECUPERADORES DE CALOR DOS GASES: a)- Pré-Aquecedor Tubular de Ar b)- Economizado

3.3 DADOS DE DESEMPENHO: Rendimento (ao PCI):

Fornalha Ferradura (Água 85°C)............................................................. 56%. Grelha Basculante c/ Esparg. (Água 85°C)................................................. 64% Grelha Basculante c/ Esparg. (Água 85°C) c/ Paredes d’ Água Parcial.......................................................................................................... 66% Temperatura Gases: 330° C Temperatura Ar: 25°C CO2: 13,5% (Grelha Basc.) – Excesso Ar................................................. 46% 12,4% (Forn. Ferr.) - Excesso Ar...................................................... 60%

TAXA VAPOR/M2: Com forn. Ferradura (Água 85°C) ............................................................ 27 Kg/m3 Com Grelha Basculante (Água 85°C) ....................................................... 30 Kg/m2 Obs: Sem Pré-aquecedor de Ar

3.3.5 LIMITAÇÃO: Capacidade produtiva máxima: 60,000 Kg/h (Fonr. Ferradura Água 85°C) Pressão Máxima de trabalho Permitida: 18 Kg/cm2 Temperatura Vapor máxima: 350°C

3.36 SISTEMA OPERACIONAL: Regulagem Alimentação de bagaço: Manual Regulagem Ar de Combustão: Manual Regulagem da Tiragem Induzida: Manual Regulagem do Nível d’Água: Manual ou Automatizada Limpeza de Cinzas: Manual ou Semi Mecanizada Captação de fuligem: Manual (internamente).

3.4 CALDEIRA VERTICAL ELEVADAS: 3.4.1 Características Construtivas:

a)- Partes de Pressão: 1- Balões Superiores 1- Balão Inferior Tubos Curvados 3” e 2 1/2" ( ou 3” e 2”) Paredes d’Água tubos espaçados OBS: Sustentação apoiada no Balão Inferior.

Caldeira Tipo FF (Bew) com Fornalha Ferradura b)- Revestimento: Tipos Vu, FF, SZ, V-2/5-F e Be: Placas Refrat. 2. 1/2 (ou 3”) Blocos lsol.2”(ou tijolo isolan. (4.1/2”) Massa lisol. 1/2 (ou lã rocha 1”)

Invólucro Externo Chapa n°10. Tipo: V-2/4-F. V-2/4-GB: Tijolo Refrat. 220mm (9”) Largura, com Tijolo comum 220 mm (9”) Largura.3.4.2 FORNALHA UTILIZADA: a)- tipo Ferradura b)- Grelha Basculante com Espargedor – Alternativa

3.4.3 RECUPERADORES DE CALOR DOS GASES: a)- Pré-Aquecedor Tubular de Ar 3.4.4 DADOS DE DESEMPENHO: Rendimento (ao PCI): VU,FF,SZ: a)- Com Fornalha Ferradura (Água 85°C) Pré-Aquecedor Tubular de Ar............................................... 70% b)- Com Grelha Basculante e Espargedor (Água 85°C), Pré-Aquecedor Ar........................................... 78% V-2/4-F: Forn. Ferrad. Água 85°C, Pré-Aquecedor-Ar................................... 70% V-2/4-GB: Grelha Basc.e Esp,Água 85°C, Pré-Aq. Ar.................................... 78% V-2/5: Forn. Ferrad. Água 85°C, Pré-Aquec.-Ar.............................................. 72% V-2/5-BE: Grelha Basc. e Esp. Água 85°C, Pré-Aquec.Ar..............................80%

TAXA VAPOR/M2: Com forn. Ferradura (Água 85°C); Pré-Aquec................................................27 Kg/m3 Com Grelha Basculante e Esp, (Água 85°C); Pré-Aquec................................30 Kg/m2

3.4.5 LIMITAÇÕES: Capacidade produtiva máxima: 80,000 Kg/H Pressão Máxima de trabalho Permitida: 32- 140 Kg/Cm2 Temperatura Vapor máxima: 350 - 510°C

3.4.6 SISTEMA OPERACIONAL: Regulagem Alimentação de Bagaço: Manual ou Semi-automatizada Regulagem Ar de Combustão: Manual ou Semi-automatizada Regulagem da Tiragem Induzida: Manual ou Automatizada. Regulagem do Nível d’Água: Manual ou Automatizada Limpeza de Cinzas: Manual ou Semi - Mecanizada Captação de fuligem: Manual ou Mecanizada (internamente ou externamente). 3.5 CALDEIRA REDIANTE –UM DE GÁS

3.5.1 CARACTERISTICAS CONSTRUTIVAS: a)- Partes de Pressão:

1- Balão Superior 1- Balão Inferior Tubos Curvos 0 3” e 2” ou 3.1/4” e 2/1”, Pontas Conificadas Paredes d’Água Tubos Tangentes ou Painéis Membrana

OBS: Caldeira Suspensa pelo Balão Superior. b)- Revestimento: Paredes d’Água Tubos Soldados ou Tangentes Isolamento Técnico Lã de Rocha 3” espessura Invólucro externo Chapa 10 ou alumínio 0,8 mm c)- Fornalha Tubular Radiante: Painéis Tubulares Soldados (Membrana) ou Tangentes com Chapa de selagem. d)- Feixe Convecção de Uma Passagem dos Gases:

3.5.2 FORNALHAS UTILIZADAS: a)- Grelha Basculante com Espargedor b)- Grelha Rotativa com Espargedor c)- Grelha Basculante com Espargedor – Jatos de Ar para Turbulência (queima por Suspensão). e)- Grelha em Comportas – Alimentação Pressurizada – Jatos de turbulência.

3.5.3 RECUPERADORES DE CALOR DOS GASES: a)- Pré-Aquecedor Tubular de Ar b)- Economizador Aletado ou Tubos Lisos

3.5.4 DADOS DE DESEMPENHO: Rendimento (ao PCI): a)- Grelha Basc.ou Rotativa c/Esparg:.................................................. 82% b)- Grelha Basc.ou Rotativa c/Esparg e jatos de Turbulência:............. 85% c)- Grelha em Comportas – Além. Press. – Jatos de Turbulência:........87%

OBS: Água á 105°C e Pré-Aquecedor de Ar

TAXA VAPOR/M2: a)- GB ou GR com Esparg......................................................................... 35 Kg/m2 b)- GB ou GR com Esparg.e Jatos de turbulência...................................... 37 Kg/m2 c)- Grelha em comportas – Alim. Press. – Jatos de turbulência................. 38 Kg/m2

3.5.5 LIMITAÇÕES: Capacidade Produtiva Máxima: 120t/h – 200 t/h – 500 t/h Pressão Máxima de trabalho Permitida: 70 – 130 Kg/cm2 Temp. Vapor Máxima: 400°C – 440°C – 540°C

3.5.6 SISTEMA OPERACIONAL: Regulagem Alimentação do Bagaço Automatizada Regulagem Ar de Combustão: Automatizada Regulagem do NÍVEL d’ Água: Automatizada Limpeza de Cinza: Mecanizada Captação de Fuligem: Mecanizada

3.7 PARDES D’ ÁGUA E REVESTIMENTOS: Os Tipos de construção das paredes d’água e seus revestimentos assumem grande importância no que diz respeito ao aproveitamento do calor absorvido na fornalha. O calor absorvido por irradiação, pelos tubos na fornalha, representa cerca de 50% do calor total absorvido pelo conjunto dos componentes (caldeira, superaquecedor, Pré-aquecedor de ar) embora representa apenas de 7 á 12% do total das superfícies daqueles componentes (para caldeiras Verticais Elevadas).

CALOR ABSORVIDO:O calor absorvido pelos tubos das paredes d’água na fornalha queimando bagaço, está compreendido entre os seguintes valores:

a)- tubos Limpos: de 100.000 á 200.000 Kcal/m2hb)- Tubos com Escória: de 25.000 á 55.000 Kcal/m2h

Desse modo, quando maior for a área dos tubos exposta ao calor de irradiação, maior será a quantidade de calor absorvido.No Gráfico abaixo podemos estimar o calor disponível para absorção pelas paredes d’ água em função da temperatura aproximadamente dos gases saídos da fornalha.

CALOR PERDIDO:O calor perdido pelo revestimento refratário e isolante das paredes d’água está situada entre Os valores: 325 á 460 Kcal/m2h.E considerada satisfatória a temperatura externa da superfície do revestimento quando entre 54°C e 70°C, tomando-se como de 15m/min.

TIPOS DE REVESTIMENTOS: Entre os mais comum tipos de revestimentos encontramos:

a)- Paredes Refratária e Comum sem tubos, sem Isolamento Externo;b)- Tubos Espaçados encostados á Paredes Refratárias com Isolamento Externo;c)- Tubos Tangentes Encostados ou Soldador entre si com Isolamento Externo.

No Gráfico abaixo encontramos as variações do Fator de Eficácia da Superfície Tubular da Fornalha, de acordo com cada tipo de Parede d’Água, conhecendo-se a relação entre o espaçamento entre os tubos e o diâmetro dos mesmos, fator esse relacionado a uma Fornalha Totalmente resfriada por tubos d’água (tipo d).

Vejamos cada um dos tipos de revestimento acima citados.

3.7.1 PAREDES REFRATÁRIAS E COMUM SEM TUBOS: São paredes sólidas construídas com tijolos refratários de 45% AL2O3, Nas medidas padrão 9”x4 1/2" x 2 1/2" (220x115 x64), com amarrações de tijolos encaixados numa parede de tijolo comuns vermelho prensados de mesmo dimensões, formando uma parede com 550 mm de largura total. Nessas paredes, sem os tubos d’água, toso o calor de irradiação esse tipo de construção com o gradiente típico de temperatura através de 500 mm de parede.

3.7.2 TUBOS ESPAÇADOS ENCOSTADOS Á PAREDE REFRATÁRIA: Conforme representa graficamente adiante, esse tipo de construção reúne, ao lado dos tubos, uma placa refratária de 45% de AL2O3. Com espessura de 2.1/2” á 3” seguida de um bloco de matéria Isolante a base de silicato de cálcio, ou tijolos Isolantes, com espessura de 3” á 4.1/2” podemos ainda receber uma camada de lã de rocha ou óxido de magnésio, acabando num invólucro metálico de chapas de aço carbono n°10 ou 14, reforçadas por cantoneiras ou perfis.

Pelos dados das temperaturas acima indicadas, através de ábacos desenvolvidos (Steam – lts Generation and Use, Babcock e Wilcox Co. Chapter 14), determinamos o calor perdido através do revestimento em Kcal/m2h. No caso acima temos:

T1, temp. da fornalha, lado do tij. Refratário = 705°cT2, temp. da superf. Interna do isolamento = 680°CT3, temp. da superf. Externa do isolamento = 60°CT4, temp. do ambiente da caldeira = 27°C O valor do calor perdido é dado por: Q = t1 – t4, sendo R = resistência total = Ri + R2 + R3. R Obtemos então: Q = 388 Kcal/m2h.

3.7.3 TUBOS ESPAÇADOS ENCAIXADOS EM PAREDES REFRATÁRIAS: Nesse tipo os tubos espaçados são envolvidos, ou melhor, encaixados em placas refratárias tipo T, onde a meia superfície do tubo, não exposta ao calor. Fica revestida externamente. A seguir adiciona-se o isolamento térmico e a chapa externa. 3.7.4 TUBOS TANGENTES ENCOSTADOS OU SOLDADOS ENTRE SI. Esse tipo é o que oferece a maior absorção do calor de irradiação na fornalha, além de dar completa proteção á parede da caldeira.

Os tubos tangentes são simplesmente encostados entre si, ou soldados por meio específicos de fabricação ou ainda emendados por aletas por comuns soldadas aos tubos. Dispensam-se as placas refratárias, dando com tela, em espessuras de 2”Externamente uma chapa fina de aço-carbono (n° 10 ou 14) ou de alumínio modelado (1,5 á 2 mm) e completa o revestimento. Nesse caso, a temperatura da face quente do isolamento térmico é considerada igual á temperatura do vapor saturado gerado no tubo. TOMEMOS COMO EXEMPLO:T1, temperatura face quente do isolamento = 230°C (28 Kg/cm2).T2, temperatura face fria do isolamento = 60°CT3, temperatura ambiente da caldeira = 27°C

O calor perdido: Q = 244 Kcal/m2h

PERDAS

REVESTIMENTO PAREDE

TIPO A TIPO B TIPO C TIPO D

Refrat.+ Comum Sem tubos

Tubos Encaixados

Tubos Encaixados

Tubos Tangentes

Calor Perdido(Kcal/m2h)

3.770 388 580 244

Aumento Perda Relativo ao Tipo de (%)

15.45 1,59 2,37 0

Bagaço PerdidoPCI = 1760 Kcal/Kg Rend. (Kg/m2h)

2.85 0,29 0,44 0,18

Perdas por Irradiação por Rendimento (%).

4 0 á 5,0. 1,5 1,1 0,5

3.8 RECUPERADORES DE CALOR: Os Recuperadores de calor mais utilizados em Caldeira são:a)- Economizadores: aquecem a água aproveitando o calor dos gases que saem da caldeira.b)- Pré-Aquecedor de Ar: aquecem o ar de combustão aproveitando o calor dos gases que saem da caldeira.

Há um outro equipamento utilizado para diminuir a quantidade d’água contida no bagaço, aproveitando igualmente o calor dos gases, que também é considerado como recuperador de calor:

c)- Secadores de bagaço E finalmente os recuperadores de Cinza e fuligem: d)- Reinjetores de Cinza: que reaproveitam as partículas de carbono não Queimado, na forma de fuligem ou carvão.

3.8.1 ECONOMIZADORES: A cada aumento de 10°C na temperatura d’água de alimentação há uma economia de combustível da ordem de 1,4%. O gráfico abaixo ilustra esses resultados

A economia de combustível (E), em porcentagem é obtida por:

E = tj – to x 100, onde tj = temp. Água após econ. °C To = temp. Água antes econ.°C Iv = calor total do vapor, Kcal/Kg.

Em Usina de Açúcar, tem sido preferível recuperar os condensados, muitas vezes desperdiçados, para retorno ao sistema de alimentação das Caldeiras, em lugar de instalarem-se economizadores na saida dos gases das mesmas, o que salvaguarda uma série de problemas de vazamento, limpeza e desgaste com esses recuperadores de calor de Ferro mais comumente usados.A instalação dos mesmos é, no entanto justificada quando se objetiva atingir maiores rendimentos em alguns tipos de caldeiras mais modernas. Nesses casos empregam-se Economizadores tubulares lisos ou alentados.

3.8.2 PRÉ-AQUECEDOR DE AR: Os tipos mais usados em caldeira a bagaço são os tubulares a cada redução de 38°C na temperatura dos gases que atravessam Pré-Aquecedor, há um aumento de rendimento de2, 3, á 2,6%. A cada aumento de 38%°C na temperatura do ar de combustão, há um correspondente aumento de aproximadamente 2% na eficiência da caldeira. Dependendo do dimensionamento do Pré-Aquecedor poderá da O gráfico abaixo indicar as economias de bagaço em % decorrente das temperaturas do ar de combustão.

3.8.3 SECADORES DE BAGAÇO: De alguns estudos realizados por Victor j. Bailliet fazemos referência ao seu trabalho apresentado em fevereiro de 1976, Baton rouge, Louisiana, U.S. A, publicado no “ the Sugar Journal” em Março de 1976, sob o titulo “Bagasse Drying Versus Air Pré-Heating em que o autor abtém os seguintes resultado:

Secagem do bagaço: (52% H2O, 3% Cinzas, 3% sacarose). A. temperatura dos gases para umidades do bagaço: Umidade 52% - 288°C Umidade 40% - 304°C Umidade 32% - 315°C

b)- Eficiência para umidade do bagaço: Umidade 52% - eficiência 53,9% Umidade 40% - eficiência 59,4% Umidade 32% - eficiência 62,2%

c)- Aumento de Eficiência acima da obtida com aumento com 52% Umidade do Bagaço: Para 40% umidade = 10,14% aumento de eficiência Para 32% umidade = 15, 33% aumento de eficiência.

Pré-Aquecedor do Ar de Combustão: d)- Aumento de Eficiência pelo Aumento da temperatura do Ar: 11,85%

Conclusão: A principal vantagem obtida na secagem do bagaço sobre o pré-aquecedor do ar reside no substancial aumento da sua condição de queima.No esquema abaixo é indicado um dos mais eficientes Secadores de Bagaço. Constituído de uma Coluna Vertical e um ciclone separador.

3.8.4 REINJETORES DE CINZA: A cinza e o carbono em partículas podem ser coletados e conduzidos a sistemas de peneiras vibratórias aonde a cinza é separada do carbono contido na fuligem. Há um aumento de eficiência térmica pela recuperação do combustível não queimado.Adiante vemos um tipo de peneira vibratória alimentada por funis coletores de pó, localizados em alguns pontos da caldeira. A areia é removida e o carbono é reinjetado na fornalha por jatos a vapor.

3.9 CARACTERISTICAS TÉCNICAS DAS FORNALHAS PARA BAGAÇO: Considerando os dois meios já vistos, pelos quais se processa a queima do bagaço. A saber: a)- Por Destacando as suas características técnicas. Entre os tipos mais comuns de fornalha encontrados usualmente em nosso pais relacionamos: a)- Grelhas escalonadasb)-Ferradurac)- Grelha Basculante

Nesse estudo incluímos também os dois tipos mais modernos que já começam a surgir em algumas poucas Usinas de Água Brasileiro, em caldeira de maior produção de vapor ((100 t/h), 150 t/h), a saber:d)- Grelha Rotativa e)- Grelha BasculanteAnalisemos sucintamente cada um desses tipos.

3.10 FORNALHA DE GRELHA ESCALONADAS: A Grelha é formada por barra de ferro fundido, dispostas em degraus que recebem o bagaço por gravidade e seguindo daí para seção horizontal onde as cinza são depositadas. Esse tipo de fornalha se adapta também para a queima de lenha bruta em toras. Hoje em dia esse tipo de fornalha já perdeu a sua utilização para queima do bagaço.

3.11 FORNALHA FERRADURA: Os fornos são individualizados em dimensões bem proporcionadas, obedecendo o formado de uma ferradura. A altura das fornalhas são de 1.800 á 2.300 mm onde os tubeiros são distribuídos em certas proporções a três ou mais altura diferentes divididas nos novéis a saber:

a)- Inferior: á 15 mm acima do piso. 40% tubeiros b)- Intermediário: á 690 mm acima do piso. 30% dos Tubeirosc)- Superior: á 1340 mm acima do piso. 20% dos Tubeirosd)- Ar Secundário: á + 300 mm acima do bagaço, 10% dos Tubeiros. A largura mínima interna adotada é de 900 mm e a máxima de 1.500 mm. A profundidade pode entre 1.200 a 3.200 mm, no entanto além de 2.000 mm devem ser instalados espargedores para distribuir o bagaço em toda a profundidade da fornalha.Na frente de cada fornalha devem ser instalados 3 ou 4 jatos de ar secundário, com pressões de 150 mm á 500 mm, na altura da queda do bagaço, com ângulo de 30% para cima. Esses jatos são obtidos por um ventilador auxiliar cuja capacidade volumétrica deve significar de 10 á 20% do ar total requerido. Os tubos de ar secundário frontal devem ter diâmetro de no máximo 2.Os tubeiros devem ser de ferro fundido com dimensões iguais as do tijolo refratário padrão.Internamente os tubeiros devem reduzir sua abertura para proporcionar maior pressão do ar no interior da fornalha (Max. 40 mm col. Água). O numero de tubeiros é calculado em função do ar necessário.

TABELA IV; FORNALHA FERRADURA – DIMENSIONAMENTO.

Sup. Aquec. Caldeira M2

500 570 640 700 1.000 1.500

Fornos n° 2 2 2 2 4 4

Larg. Interna (MM)

920 1150 1150 1380 1500 1500

Profund. Int.(MM)

2070 2070 2070 2070 2200 2400

Altura (MM) 2300 2300 2300 2300 2300 2300

Quant. Tubeiros/Fornos

(Área Livre 0,0024m2)

90 105120 135 115 175

Vol. Total Forn. (M3).

56 63 71 79 159 204,5

Area Total Piso Forn. (M2).

3,80 4,76 4,76 5,71 13,2 14,4

Bagaço Queimado Por Vol. Fornalha

(Kg/m3).

103,5 106,3 1071

08,8 95 110

Cap. Volumétrica

Ventil. (m3/h) (70% Ar Total).

16500 19000 28100 24600 43000 64500

Bagaço Queimado Kg/h

(50% Umid.)5800 6700 7600 8600 15000 22500

Prod. Vapor Kg/h. 12000 14000 16000 18000 30000 45000

OBS: 1° - Admitiu-se que 20 do ar total é fornecido jatos de ar secundário e 10% entrando pelas e alimentadores de bagaço.

2° - O excesso de ar admitido foi de 50%

3° - A velocidade do ar nos tubeiros foi de 10,6m/seg. Para +40mm de col.d’água.

4° - Os tubeiros adotados teem as medidas indicadas na figura, que dá uma área livre no lado do forno, s =0,0024 m2 (25mm x 96mm).

Para determinarem-se os volumes das fornalhas e da câmara de combustão (acima dos fornos até a altura dos tubos de convecção) adota-se a carga térmica de 200.000 Kcal/m3 de fornalha hora.A alimentação do bagaço pode ser feita livremente por uma calha, ou duto, que recebe-o da esteira, ou, por , um distribuidor mecânico (ou pneumático) colocado na frente de cana fornalha. Veja no desenho a seguir um tipo de distribuidor rotativo usado em Fornalha Ferradura.

3.12 FORNALHA DE GRELHA BASCULANTE: 3.12.1 GRELHA: Constitue-se de um conjunto de movimento independente, que podem divididas em seções de movimentos independentes, que podem ser articuladas de 90°, passando da posição horizontal para a vertical, o que permite a remoção da cinza em poucos segundos. São assim denominadas das grelha é feito externamente, por pistões, a ar comprimido ou á vapor, de comando manual.

A figura que se segue mostra um conjunto de três seções.A introdução do ar primário é realizada por canais inferiores, distribuídos por cada seção, com regulagem manual do registro de ar por fora, á frente da fornalha.As grelhas são de ferro fundido, de boa qualidade, resistente ao calor suportado, prevendo-se o ar aquecido até o limite de 180°C. Nas arestas das grelhas encontram-se semi-circulos perfurados em diâmetro de 3/8” á 1/2", de modo a distribuir um firmemente oar insuflado por todo o grelhado.

3.12.2 ESPARGEDORES OU DISTRIBUIDORES DE BAGAÇO: Nesses sistemas de queima o bagaço é jogado sobre o grelhado condições tais a formar um leito por igual, de altura variável de 55 á 80mm. São dispositivos mecânicos ou pneumáticos que espargem ou distribuem os bagaços num impulso, de modo a separar o fragmento, assim projetados em suspensão, de uma altura entre 1,20mm á 1,50mm do grelhado.

ESPARGEDORES MECÂNICOS: Conforme Ilustra a figura que se segue, são rotores cilíndricos aletados que girando a rotações 690 e 720 RPM, acionados por motores elétricos individuais, realizam: a separação; suspensão; projeção e uniforme distribuição do bagaço na fornalha.

ESPAGEDORES PNEUMÁTICOS: Nesse espargedores o ar e pressurizado entre 550 e 750mm Col. d’água , dependendo do tipo empregado. A quantidade de ar fornecido representa cerca de 5% (cinco por cento) do ar total de combustão.Os espargedores pneumáticos apresentam sobre os mecânicos e realizam satisfatoriamente os mesmo afeitos.3.12.3 ALIMENTEDORES OU DOSADORES DE BAGAÇO: O bagaço trazido pela esteira que um da moenda, cai por aberturas reguláveis, nos alimentadores ou dosadores que uniformiza o Fluxo de bagaço para os espargedores. Esses alimentadores são constituídos de tambores aletados, acionados de preferência individualmente de motor-variador com rotação regulável entre 6 e 15 RPM.

A distância da entrada dos alimentadores para fundo da esteira de bagaço não deve exceder de 500mm. Esses alimentadores devem permitir a possibilidade de trabalho completamente cheios de bagaço, entre a boca de entrada e a esteira, sem sofrer paralisações, fato que pode ocorrer freqüentemente.Com bons resultados empregam-se também dosadores do tipo “Pinfeeder” acionados individualmente de preferência por variados.A regulagem do fluxo de bagaço em função da carga produtiva da caldeira é feita pela variação dos alimentadores. As gravuras que se seguem indicam as disposições dos alimentadores ou dosadores de bagaço.

3.13 FORNALHA DE GRELHA ROTATIVA: Nesses sistemas as grelha se movimentam solidariamente, rolando de modo continuo á velocidade controladas.O ar é insuflado igualmente por baixo do grelhado, onde são mantidos o seu volume e a sua pressão num reservatório chamado “plenum”.A grande vantagem sobre o tipo basculante é a operação permanente com remoção continua das cinzas.Importante e decisivo nas grelhas rotativas é o elemento de acionamento hidráulico, acoplado ao eixo principal, que deve permitir regulagem na velocidade de avanço curvo e perfuradas em toda a superfície apresentando ainda melhor distribuição de ar sobre o grelhado o que também resulta numa maior eficiência (de 0,5 a mais) sobre a grelha basculante.Na Figura acima mostra-se um dos sistema de grelha rotativa para queima de bagaço.E do mesmo modo instalado o espargedor mecânico ou pneumático, e o alimentador de bagaço, como na grelha basculante.

3.14 FORNALHAS DE QUEIMA EM SUSPENSÃO: O principio da queima em suspensão tem sido aplicado com sucesso em fornalhas projetadas, maior parte ao ar de combustão, é injetado lateralmente, a diferentes alturas da fornalha.Esse sistema permite maior tempo de permanência do bagaço em suspensão, por turbulência no interior de permanecia do bagaço em suspensão, por turbulência no interior da fornalha, possibilitando a secagem do mesmo. Nessas fornalhas os distribuidores de bagaço são localizados a alturas de 3,60m á 6,0m do piso da grelha, em lugar de 1,20m á 1,50m como nas grelha basculante ou rotativas.Nos quatro cantos da fornalha são localizados jatos de ar, abaixo do nível dos distribuidores, ou espargedores de bagaço.Nessa disposição o bagaço ao ser lançado na fornalha gira em volta de si mesmo, em redemoinho, pela alta velocidade dos jatos de ar e assim permanece um maior tempo em suspensão, antes de cair no grelhado. Desse modo o bagaço fica exposto á zona de maior calor na fornalha o que resulta: a)- rápida evaporação d’água nele contida; b)- parcial ou completa volatilizado e c)- ignição das partículas residuais antes de atingir a grelha. Assim a combustão de uma parcela do bagaço, de partículas maiores é obtida uniformemente distribuída no grelhado, com reduzida percentagem de ar alimentado por baixo do mesmo.Há dois tipos de fornalha de queima em suspensão que podemos denominá-las como:

a)- Suspensão por Espargedoresb)- Suspensão por Injeção Pneumática.

Vejamos algumas particularidades desses dois tipos.

3.14.1 SUPENSÃO POR ESPARGEDORES: Como ilustra a gravura abaixo o bagaço é arremessado por espargedores mecânicos ou pneumáticos ao encontro das correntes de turbulência para finalmente cair sobre um grelhado basculante ou rotativo.Os jatos de ar são laterais ou tangentes nos cantos da fornalha, localizados do nível em que o bagaço é lançado na fornalha.

3.14.2 SUSPENSÃO POR INJEÇÃO PNEUMÁTICA: Nesse tipo a alimentação do bagaço é realizada por um sistema de ar comprimido, a pressão de 1 á3 lb/po12, como indicado a seguir onde uma válvula rotativa, selada passagem de ar, introduz o bagaço ao tubo de distribuição do mesmo por ar comprimido.Os injetores de bagaço são instalados nos cantos da fornalha formando assim uma turbulência em espiral em espiral. Jatos de ar são localizados abaixo dos injetores, posicionados de modo a formar uma turbulência tangencial.O fundo da fornalha tem uma forma afunilada terminando por duas comportas de grelhas perfuradas que podem ser abertas para limpeza. Por baixo dessas composta um soprador de ar mantêm a queima das partículas maiores de bagaço, concentradas no reduzido grelhado desse fundo da fornalha.

3.16 JATOS DE AR EM FORNALHA: Indispensável é na queima do bagaço, a utilização de jatos se ar nas fornalhas. Os resultados obtidos são:

a)- Redução de escória e de fuligem nos tubos;b)- Sensível diminuição do excesso de ar sem gases incombustos;c)- Aumento de 2 á 3% na eficiência da caldeira;d)- Redução no arrastamento de cinza e do carbono livre;e)- Maiores benefícios e aproveitamento na queima do bagaço pela turbulência realiza.

Os jatos de ar podem ser obtidos por:

1°- Ventiladores Auxiliares; e por.2°- injetores á vapor.

A seleção e o dimensionamento de um sistema de jatos a vapor implica em determinar-se:

1°- número de tubos de ar;2°- diâmetro dos tubos de ar;3°- altura sobre a camada de bagaço;4°- capacidade volumétrica do ar requerido.

3.16.1 PROCEDIMENTO PARA DIMENSIONAMENTO DOS JATOS DE AR POR VENTILADOR AUXILIAR: 1°- Capacidade Volumétrica do Ventilador: Conhecendo-se o ar total necessário para a combustão de uma de terminada quantidade de bagaço, tem-se a capacidade volumétrica do ventilador auxiliar, em porcentagem sobre o ar total, como segue:

- FORNALHA FERRADURA GRELHA BASCULANTE 20% 10%

2° localização dos jatos: Deve ser estudada de modo a proporcionar uma completa cobertura sobre a camada de bagaço, realizando turbulência sobre a mesma.

Em fornalha Ferradura: FrontalEm Grelha Basculante: parede do fundo

Determina-se modo:

L = largura da Parede dos jatos P = Profundidade a ser Atingida pelos jatos

3°- Números de jatos: Estudando-se tabela 1 que se segue, com L e P, obtém-se o numero de jatos de ar.

TABELA 1. NÚMERO DE JATOS DE AR:

PROFUNDIDADE (M) – P -

Largura da parede dos jatos (m) – L -

1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 3,00 3,30 3,60 3,90 4,20 4,50

1,20 8 7 6 51,50 10 9 8 6 5 5 4 41,80 12 11 9 8 7 6 5 4 4 42,10 14 13 11 9 8 7 6 5 5 4 4 32,40 16 15 13 10 9 8 7 6 6 5 5 42,70 18 17 14 12 10 9 8 7 7 6 5 53,00 20 19 16 13 11 10 9 8 7 7 6 63,30 21 18 15 13 11 10 9 8 7 7 63,60 23 20 16 14 12 11 10 9 8 8 73,90 21 18 15 13 12 11 10 9 8 84,20 19 17 15 13 12 11 10 9 84,50 18 16 14 13 12 11 10 9

(4°)- Espaçamento entre Jatos (e):

E = Largura da parede dos jatos (mm), (mm) N° de jatos + 1(5°)- Quantidade de Ar por jatos (q): Q = Capacidade volumétrica vent. Auxiliar, (m3/h) N° de jatos

(6°)- DIÂMETRO DO JATO E PRESSÃO DO VENTILADOR AUXILIAR: No Gráfico anterior, entra-se com o valor de (q) acima determinado encontrando na horizontal alinha vertical partindo do comprimento a ser atingindo pelo jato (p). Tem-se o diâmetro dos jatos. Seguindo na vertical, vamos encontrar mais acima, a curva do diâmetro dos jatos, daí para esquerda na horizontal tem-se a pressão de ar em mm, Coluna d’água.

(7°)- DIÂMETRO DO DUTO DISTRIBUIDO DE AR: Conhecendo-se a capacidade Volumétrica do Ventilador Auxiliar, em m3/h, entre-se na Escala abaixo e obtém-se a área necessária na Escala bb e o correspondente na Escala CC.

(8°)- ALTURA DOS JATOS: Localizado os jatos a uma altura acima da camada de bagaço igual ao espaçamento entre os mesmo.Desse ponto trace uma linha até a parede oposta encontrando o ponto dela a uma altura de no mínimo 150mm acima da camada de bagaço.

3.16.2 JATOS DE AR Á VAPOR:

Para determinar-se o dimensionamento dos jatos de ar a vapor procede-se igualmente como indicado acima nos passo: (1°), (2°), (3°), (4°) (e 5°) a seguir obtém-se:

(6°)- DIÂMETRO DOS TUBOS DE AR, PRESSÃO DO JATO A VAPOR, DIÂMETRO DO INJETOR. No gráfico adiante entre-se com o valor de (q). Quantidade de ar por tubo (em m3/h). e segue-se na horizontal até encontrar a linha vertical correspondente ao comprimento do jato. Tem-se o diâmetro dos tubos de ar.Com o mesmo valor de(q) entra-se agora no gráfico abaixo seguindo verticalmente até encontrar a linha de pressão disponível de vapor auxiliar para os injetores. Desse ponto seguindo uma horizontal vamos encontrar alinha inclinada correspondente ao diâmetro dos tubos de ar. Daí desce na vertical para determinar o diâmetro do furo do bico injetor de vapor.

3.16.4 JATOS DE AR Á VAPOR PARA TURBULÊNCIA: Os jatos de ar á vapor usados apenas para realizar turbulência são construídos dentro das indicações abaixo. A Tabela 2 pressão de vapor para diferentes diâmetros do furo dos bicos injetores

Compr. Do Jato a

vapor (m).

Diam. Tubo Ar (pol).

Diam. Furo Bicos 3/32” 1/8” 5/32” 3/16” 1/4" Pressão de Vapor Lp/pó 12

Altura dos jatos acima do bagaço

(m)0,90 3/4 15 - - - - 1001,20 3/4 25 15 - - - 1251,50 3/4 40 25 20 15 - 1501,80 3/4 55 35 25 20 - 1752,10 3/4 70 50 35 25 16 2002,40 3/4 85 60 50 30 20 2502,70 3/4 - 85 60 45 30 2753,00 3/4 - 100 75 60 35 3003,30 3/4 - - 90 70 50 3253,60 3/4 - - - 85 60 350

4 ASPECTOS OPERACIONAIS E DE MANUTENÇÃO RELACIONADOS A EFICIENCIA:

Abortamos resumidamente alguns aspectos operacionais e de manutenção de maior influencia na eficiência das caldeiras queimando bagaço.

4.1 ASPECTOS OPERACIONAIS:

O que comumente se observa na condução das caldeiras numa Usina são as alterações conjuntas ou isoladas dos seguintes fatores:

1 – fibra na cana 2 – umidade do bagaço3 – sacarose no bagaço4 – areia no bagaço5 – finara do bagaço6 – excesso do bagaço (em alguns picos)7 – excesso de bagaço nas fornalhas8 – variação da temperatura d’água de alimentação9 – variação da pressão de vapor na caldeira 10 – variação do nível d’água na caldeira 11 – queda da força elétrica 12 – acumulo de cinza nas fornalhas

Todos esses fatores contribuem para desequilibrar o regime de operação das caldeiras. Verifica-se sempre verdadeira batalha dos operadores para tentar reequilibrar a pressão do vapor, muito vezes sem resultado.

As ações, no entanto dos operadores se concentram em alguns poucos pontos á saber:

A – controle da alimentação do bagaço B – controle do ar de combustão C – controle da tiragem induzidaD –eventual controle do nível d’água E – alimentação de lenha.

E dispensável dizer que essas manobras são realizadas ás pressas e fora de sincronização.Dificilmente se mantém, no decorrer das vinte e quatro horas de operação, uma caldeira queimando bagaço, nas suas melhores condições de eficiência.

4.1.1 COMANDOS AUTOMATICOS DE COMBUSTÃO: Os sistemas automáticos introduzidos em caldeira a bagaço de cana na objetivam atender basicamente os seguintes requisitos:

(1°) – regularidade na alimentação do bagaço, variando sua admissão proporcionalmente às variações de pressão na saida principal de vapor da caldeira;

(2°) – proporcionalidade simultânea do ar primário, necessário á combustão do bagaço, variando as vazões pelas variações do combustível, de modo a manter-se constante a relação ar-combustivel em todos os ponto de carga; (3°) – assegurar a velocidade interna dos gases geradores na combustão, dentro dos padrões indicados pelos fabricantes, de modo a obter-se a melhor transferência de calor nas passagens dos mesmos, apesar das variações de carga;

(4°) – manter constantemente regulado o nível d’água, no ponto indicado pelo fabricante.

Os requisitos 3°) e 4) podem ser mantidos por aparelhos relativamente simples independentemente dos demais. Vemos adiante um sistema de regulagem automática de tiragem induzida na caldeira, pelo comando do registro de gases, conhecendo-se a perda de carga entre dois pontos fixos da passagem dos gases a partir da fornalha.

Os princípios 1°) e 2°) anteriormente citados, em geral só são conseguidos quando a alimentação do bagaço é mecanizada. Com tantos fatores de variação não é fácil ter respostas dos aparelhos sensíveis que recebem sinais para transformá-los e, movimento mecânicos; no entanto, isso se tem conseguido na queima do bagaço.

Segue-se um esquema de um sistema de controle de combustão de bagaço e de combustível suplementar, em fornalha de grelha e queima em suspensão com jatos de ar a diferentes elevações.

Nesse esquema, a regulagem dos combustíveis e do ar proporcional é feita pelas variações da pressão do vapor na saida caldeira.

4.1.2 COMANDOS SEMI-MANUAIS EM INSTALAÇOES EXISTENTES O que se deve, no entanto aplicar, em caldeira existentes, são elementos mecânicos e pneumáticos, que adaptados aos comandos das entradas de bagaço e aos registros de ar do ventilados, possibilitem aos operadores sistema semi-manuais do controle que realizam;

1 – acionamento simultâneo das aberturas de entrada de bagaço para as bicas alimentadoras, por sistema servo-motorizados, comandados por chaves seletoras em pequenos painéis.

2 – abertura proporcional do registro de ar do ventilador, por meio de posicionadores pneumáticos comandados por rele de relação interligado as variações de abertura das entradas de bagaço.

Chegar finalmente a uma cadeia de controle, tão simplificada quanto possível, que recebendo por um transmissor de pressão, as variações de pressão de vapor na saida da caldeira possa comandar as do ventilador.Indubitavelmente esse propósito será melhor obtido se contarmos com alimentação mecanizado do bagaço, través de dosadores rotativos, e também, mesmo em fornalha ferradura, termos instalados distribuidores mecânicos ou pneumáticos de bagaço. No entanto, até que isso venha acontecer, disporemos de sistema mecânicos de comando para acionar as aberturas de bagaço e o registro posição de fácil, rápido e simultâneo pelo operador. Qualquer melhoria que se introduza na operação para torná-la uniforme e proporcionalizada, será preferível a deixar a caldeira funcionado com os registros do ventilador e do exaustor em posições fixas, e apenas regulada a queda do bagaço, como e geral ocorre. Essa condição dificilmente oferece um regime de trabalho eficiente da caldeira

4.2 ASPECTOS DE MANUTENÇÃO: Entre os muitos aspectos de manutenção que influenciam a eficiência de uma caldeira de bagaço salientemos os indicados como segue:

1 – escória e cinza obstruindo os tubeiros de ar em fornalhas ferradura;2 – acumulo de fuligem nos tubos da caldeira;3 – acumulo de incrustação interna nos tubos da cadeira;4 – desgaste das paredes refratárias, do revestimento térmico da caldeira, do isolamento dos dutos de gás e de ar, como também no próprio pré-aquecedor de ar. 5 – falta de isolamento nos tubos superiores de ligação ao balão, nos encanamento de água entre as bombas e a caldeira, e no próprio tanque deposito de água.

4.2.1 EFEITOS DA FULIGEM E DA INCRUSIÇÃO NOS TUBOS: O coeficiente de transmissão de calor dos gases para os tubos da caldeira, varia com a fuligem e a incrustação depositadas. Chamando Kg esse coeficiente em Kcal/m2h°C, temos;

A)– Tubo Limpo: Kg = 25 Kcal/m2h°C

B)- Tubo com incrustação: Para di = 8 mm Kg = 21 Kcal/m2h°C

C)- Tubo com Incrustação e Fuligem: Para di = 8 mm Df = 1 mm Kg = 17 Kcal/m2h°C

Estudemos as variações de temperatura nas superfícies da chapa ou da parede (e) dos tubos em contato com os gases e com o vapor.

Identifiquemos:

Tg = tem. Dos gases na fornalha (°C)Tcg = temp. da chapa no lado dos gases

Tv = temp. da chapa no lado do vapor

Tv = temperatura do vapor

Kg = coeficiente de transmissão de calor do gás (Kcal/m2h°C)

Kg = coeficiente de transmissão de calor do vapor (Kcal/m2h°C)

Ca = condutibilidade térmica do aço-carbono (Kcal/m2h°C)

E = espessura da parede do tubo (ou chapa), (m)

Q = quantidade de calor absorvido pelo tubo (Kcal/m2h°C)

TEMOS ENTÃO:

-(A)

Fixando-se os valores para Q, conhecendo-se e, podemos obter Tcv e Tcg, como segue:

-(B)

-(C)

Vejamos agora como se alteram as temperatura da chapa, tc, quando o tubo ou balão apresentam incrustação e fuligem.

SEJAM:

( Tf) = temp da camada de fuligem

Ti = temp. da camada de incrustação

Ci = condutibilidade térmica da incrustação em Kcal/m, h°C

Cf = condutibilidade térmica da fuligem em Kcal/m, °C.

Os valores de Cf estão entre 0,3 á 1,30kcal/mh°C, e os de Ci estão entre 0,10 e 3,7 Kcal/m/°C.

Di = espessura da camada de incrutação, (m)

Df = espessura da camada de fuligem, (m)

Partindo-se do principio do equilíbrio térmico entre as diferentes camadas, temos:

-(D)

APLICAÇÃO PRATICA:

Q = Ky (Tcv – Tv) = Ca (Tcg – Tcv) E

Tcv = Q + Tv Kv

Tcv = Q. e + Tcv Ca

Kg (Tg – Tf) = CF (Tf – Tc) = Ci (Tc – Ti) = Kv (Ti – Tv) Df Di

São dados:

Pressão do Vapor na Caldeira............................................................ 21 Kg/cm2 (saturado)Temperatura água vapor..................................................................... Tv = 216°C (das tabelas)Temperatura do gás na fornalha.........................................................Tg =1.000°C)

Coeficiente de Transmissão de calor, Vapor Saturado.......................5000Kcal/m2/h°CCoeficiente de Transmissão de calor, Gás, Kg:a)- Tubo Limpo.................................................................................... 25 Kcal/m2/h°Cb)- Tubo com Incrustação..................................................................... 21 Kcal/m2/h°Cc)- Tubo com Incrustação e Fuligem.................................................... 17 Kcal/m2/h°°CEspessura incrustação............................................................................ di = 0,005 mEspessura Fuligem................................................................................. df = 0,002 m Condutibilidade Térmica Incrustação..................................................... Ci = 0,30 Kcal/

Condutibilidade Térmica Incrustação...................................................... Cf = 1,00 Kcal/ M2/h°CCondutibilidade Térmica Aço carbono..................................................... Ca = a)- 0-100°C................................................................................................ 50 Kcal/m/h°Cb)- 100 – 300°C.......................................................................................... 75 Kcal/m/h°CEspessura parede do tubo............................................................................ e = 0,0035 mCalor Absorvido pelo Tubo Limpo (esperado)........................................Q = 250.000 Kcal /m2/hA) TUBO LIMPO – CÁLCULO TEMPERATURAS: Calculemos as temperaturas, tcv e tcg nas superfícies do tubo limpo dentro da absorção de calor esperada.

Tg = 1.000°cTcg = 278°CGás – água – vapor Tcv = 266°CTv = 216°C

Entrada em (b) e (C) com os valores dados, temos:

Tcv = 250 x 103 + 216 = 266°C 5 x 103 Tcg = 250 x 3,5 x 103 + 266 = 278°C 75 x 103

B) TUBO COM INCRUSTAÇÃO – CÁLCULO TEMPERATURAS: Consideramos como sendo tm, a temperatura média entre tcv, no caso abaixo representado.

Tg = 1.000°cTcg = 431°CGás – água – vapor Tcv = 419°CTi = 223°CTv = 216°C

Da expressão (D) Tiramos:

Kg (Tg – Tm) = Ci (Tm – Tv). diTemos: Kg = 21 Kcal/m2/h°C Tg = 1000°C Ci = 0,30 Kcal/m/h°C Di = 0,005 m Tv = 216°C

Substituindo 21 (1.000 – Tm) = 0,3 (Tm – 216) 0,005Tm = 419°C

Do gráfico indicativo do calor disponível aos tubos da fornalha pela temperatura dos gases na mesma, temos: Q = 34.000 Kcal/m2/h.

Aplicado em (B) temos:

Ti = Q + Tv, onde: Ti = 34 x 103 + 216 Kv 5 x 103

Então: Ti = 223°C

De (C) podemos obter Tcg, onde Q = 250.000 Kcal/m2/h e Tcv = 419°C.

Tcg = Q,e + Tcv, onde: Tcg = 250 x 103 x 0,0035 + 419 Ca 75

Tcg = 11,7 + 419, Tcg = 431°C

C)- TUBO COM FULIGEM E INCRUSTAÇÃO – CÁLCULO TEMPERATURAS: Tg = 1.000°C

Tf = 449°CTvg =431°CGás = Q – água – vapor Tcv = 419°CTi = 223°CTv = 216°C

Da expressão (D) Tiramos

Kg (Tg – Tf) = Cf (Tf – Tc), onde, df

Kg = 17 Kcal/m2/h°C Cf = 1,0 Kcal/m2/h°C Df = 0,002 m Tc = 431°C

Substituindo-se temos:

17 (1000 – Tj) = 1,0 (Tj – 431), obtendo-se 0,002 Tf = 449°C

4.2.2 SERVIÇOS DE MANUTENÇÃO Apresentamos um programa mínimo de manutenção, parte dos trabalhos da equipe de operadores da caldeira, visando um funcionamento condizente com a desejada eficiência:

Limpeza das fornalhas

Fornalha Ferradura Grelha Basculante

Cada 4 Horas Cada 2 Horas

Limpeza dos Tubos da Caldeira (Sopradores Fuligem).

Cada 4 á 6 Horas

Limpeza dos Tubos Pré-Aquecedor Ar

Cada 30 dias

Descarga de lama Cada 4 á 6 Horas (10 á 12 segundos cada)

5 COMBUSTIVEL SUPLEMENTARES:

E sempre problemática a utilização de combustível suplementares ao bagaço para queima simultânea.

Comsideremos os índices de excesso de ar abaixo indicados quando queimados isoladamente.

::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: Excesso de Ar

Combustível Fornalha Ferradura Grelha Basculante

Bagaço de cana (50% Umid). 60% á 80% 30% á 40%

Lenha em Toras (30% Umid). 100% á 120% -

Lenha em Cavacos (30% Umid). 50% á 60% 20% á 30%

Óleo Combustível 15% 15%

A experiência e o controle de consumos desses combustíveis, queimados conjuntamente ou isolados, em algumas Usina, nos levam a indicar as seguintes taxas de produção de vapor por combustível queimado:

a)- Bagaço de cana – Fornalha ferradura – 1,8 á 2,0 Kg vapor/Kg (50% Umidade) – Grelha Basculante – 2, 2, á 2,5 Kg vapor/Kg. b)- Lenha em Toras (30% Umidade – 1,5 á Kg vapor/Kg). c)- Lenha em cavacos – Fornalha Ferradura – 2,0 á 2,2 Kg vapor/Kg (30% Umidade) – Grelha Basculante – 2,4 Kg vapor/Kg

d)- Óleo Combustível- Caldeiras compactas – 14,5 Kg vapor/Kg (100% Óleo) - Caldeiras Verticais – 12,0 Kg vapor /kg (100% Óleo) - Caldeiras Verticais – 8,0 á 10,0 Kg vapor/KgObjetivando um maior aproveitamento dos combustíveis suplementares, para queima com bagaço de cana em caldeira Verticais, concluímos:

(1°)- a lenha deve ser picada antecipadamente resultando economias de 20 á 25% sobre a queima em toras, em Fornalhas Ferradura.

(2°)- o óleo aumenta de 30 á 40% no seu consume comparado á queima em caldeiras Compactas, quando utilizado em conjunto com bagaço. O consumo em caldeiras Vertical, quando queimado isoladamente, aumenta de 15 á 17%.

As conclusões acima, complementadas com um estudo dos custos de instalação, custo dos combustíveis e custos operacionais, nos levam ás seguintes acedências:CUSTO COMPARATIVO:

Itens Instalação sistema completo óleo combustível – cap. 3 t/h

Instal. Sist Picador Lenha – cap 10 t/h

Equipamento Instalação Cr$ 22.400.000,00 Cr$ 11.100,00

Combustível Cr$ 52.000,00/ton. (óleo BPF).

Cr$ 5.000,00/ton. (lenha bruta).

Custo Equivalente em PCI Cr$ 25.000,00/ton. (Relacionada ao custo lenha).

Cr$ 10.400,00/ton. ( Relacionada ao óleo BPF).

Custo de operação Cr$ 6.250,00/dia (1 operador + 1 ajudante).

Cr$ 7.200,00/dia (5 ajudantes).

(Kg óleo BPF = 5 Kg lenha picada).

OBSERVAÇÔES:

(1°)- A instalação de um sistema picador de lenha é 50% do custo da instalação de um sistema para queima de óleo.

(2°)- O custo da lenha, comparada em PCI, é 48% do custo do óleo combustível, em julho de 1982.

(3°)- O custo operacional com a lenha acarreta um acréscimo de aproximadamente 15% sobre aquele quando se utiliza óleo, o que é desprezível face a economia comparada com o emprego da lenha picada.

Além da completa restrição á utilização do óleo como combustível complementar em usina de açúcar, a sua substituição, pelas vantagens econômicas que apresenta, viabiliza os investimentos que se projetem implantar no aumento de eficiência da própria queima do bagaço nas caldeiras disponíveis e também, em segunda instância, o beneficiamento e a mecanização do emprego da lenha bruta, para suportar os eventuais déficites de bagaço.

BIBLIOGRAFIA:

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13. Ravaglia, Ennio. Projeto de um Gerador de Vapor de Água – EPUSP.14. Schwieger, BOB. Power – Feb. 1977, Industrial Boilers – what’s Happening Today.15. Ce Fied Erected Stoker Fired Boilers For Celluluse Fuels – Form. N° PSG 4517.16. Detroit Stoker Co. Refuse Burnig Equipment – Bullertin n° 590.17. Riley. Refuse Fuel Burning Equipment – Form. N° 12 – 72. Rf – 10mpt.18. Zurn. Spreader Stokers – Form. N° SB – 62 8/74.

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REGINAL SUL – SEDE NACIONALPRESIDENTE: JOÃO GUILHERME SABINO OMETTO;SECRETÁRIO – TESOUREIRO: JOSÉ PAULO STUPIELLO;CONSELHEIRO: HOMERO CORREA DE ARRUDA FILHO, IVAN CHAVES DE SOUZA, JOSÉ MARCOS LORENZETTI, PAULO NOGUEIRA JÚNIOR, ROBERTO RODRIGUES.

CONSELHEIRO CONSULTIVO ESPECIAL.PRESIDENTE: FRANZ OSKAR ADOLF BRIEGER;MENBROS: CLAUDIO VEIGA BRITO, EDUARDO DINIZ JUNQUEIRA, EUDES DE SOUZA LEÃO PINTO, HELIO MORGANTI, JACQUES Y.J MIOCQUE, JARBAS ELIAS DA ROSA OITICICA, LUIZ CARLOS CORREA CARVALHO, PAULO NOGUEIRA NETO, PAULO TAVARES, RUY DE SOUZA QUEIROZ.

REGIONAL CENTRO.VICE-PRESIDENTE: ADILSON VIEIRA MACABÚ;SECRETÁRIO – TESOUREIRO: JAMES PIMENTEL SANTOS;CONSELHEIROS: CARLOS ALBERTO BARBOSA ZACARIAS, DEMÉTRIO FERREIRA DE AZEREDO, IVAN FERREIRA MORGADO, JOSÉ TARCISIO BARBOSA, JULIO CEZAR BECERRA DE LA FLOR.

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